Способ определения поглощенной дозы протонного излучения

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к дозиметрии ионизирующих излучений. Способ определения поглощенной дозы протонного излучения включает выполнение посредством 3D-печати сосудов, повторяющих объемы облучаемого анатомического органа и критической структуры, находящейся рядом с объемом облучаемого анатомического органа, заполнение их жидким химическим дозиметром, установку в цилиндрический водный фантом, проведение облучения по предварительно рассчитанному плану облучения и расчет средней по объему поглощенной дозы протонного излучения, при этом сосуды, повторяющие форму и размеры облучаемого анатомического органа и критической структуры, изготавливают жестко соединенными, предварительно заполняют дистиллированной водой, снабжают сосуды и их пробки метками и устанавливают в водном фантоме таким образом, чтобы положение сосудов относительно центра фантома и стенок соответствовало положению облучаемого анатомического органа и критической структуры на томографическом изображении пациента, рассчитывают предварительный план облучения по полученному томографическому изображению, проводят в соответствии с ним облучение жестко соединенных сосудов, заполненных жидким химическим дозиметром и установленных в фантоме, посредством меток, в том же положении, и определяют среднюю в объеме облучаемого анатомического органа поглощенную дозу протонного излучения посредством калибровочной зависимости, полученной для данных условий облучения жидкого химического дозиметра. Использование изобретения позволяет ускорить верификацию терапевтических планов облучения в протонной терапии и дозиметрии при использовании сканирующего пучка протонов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Уровень техники.

Способ относится к медицине, а именно к определению поглощения дозы протонного излучения при лучевой терапии.

Терапия протонным излучением является высококонформным методом лучевой терапии. Точность значения дозы, подводимой к облучаемому объему согласно рассчитанному плану облучения, определяют с помощью разных дозиметрических методов (C. Guardiola, C. Fleta, J. Rodriguez, M. Lozano and F. Gomez Preliminary microdosimetric measurements with ultra-thin 3D silicon detectors of a 62 MeV proton beam // Journal of Instrumentation. V. 10. 2015; A. Carlino, M. Stock, N. Zagler, M. Marrale, J. Osorio, S. Vatnitsky, H. Palmans Characterization of PTW-31015PinPoint ionization chambers in photon and proton beams // Physics in Medicine & Biology. V. 63. N. 18. 2018; Li Zhao, Indra J Das Gafchromic EBT film dosimetry in proton beams // Physics in Medicine & Biology. V. 55. N. 10. 2010). Наиболее часто используемым и рекомендованным комиссией МАГАТЭ средством измерения являются ионизационные камеры (Серия технических докладов №398. Определение поглощенной дозы при дистанционной лучевой терапии. Международные практические рекомендации по дозиметрии, основанные на эталонах единицы поглощенной дозы в воде. Международное агентство по атомной энергии, Вена, 2004).

Однако при использовании сканирующего пучка протонов верификация планов облучения этим методом занимает довольно много времени. Для рутинной проверки плана облучения достаточно определения средней по облучаемому объему поглощенной дозы. Такие измерения могут быть проведены с использованием жидких химических дозиметров, которые способны заполнять сосуд любой формы, а также имеют линейную дозовую зависимость отклика в определенном диапазоне поглощенных доз.

Известен способ верификации терапевтических планов с помощью детектора MatriXX, включающий измерение с помощью массива ионизационных камер профиля доз протонного излучения на разных глубинах водного фантома (В. Arjomandy, N. Sahoo, G. Ciangaru et al. Verification of patient-specific dose distributions in proton therapy using a commercial two-dimensional ion chamber array // Medical Physics // 37 (11) // 2010 // P. 5831-5837). Этот способ позволяет проводить измерения за короткое время, что является важным в клинических условиях.

Недостатком этого метода является возможность получения двумерного изображения, для измерения профиля доз в нескольких проекциях необходимо изменять положение дозиметра.

Известен способ измерения трехмерного дозового распределения терапевтического плана с помощью набора радиохромных пленочных дозиметров, расположенных между пластинами акрилового фантома (J. Kim, M. Yoon, S. Kim et al. Three-dimensional radiochromic film dosimetry of proton clinical beams using a Gafchromic EBT2 film array). Указанный способ позволяет с хорошим разрешением определять распределения доз на разной глубине фантома.

Недостатком способа являются необходимость компьютерной реконструкции для получения трехмерного изображения распределения доз и значительное количество времени, затрачиваемое на обработку радиохромных пленок после проведения облучения.

Известен способ для контроля персонализированного лечения пациента лучевой терапией и система обеспечения качества (RU 2682455 С2), включающий получение медицинских изображений пациента, создание трехмерной модели части пациента на основании полученных изображений, установку дозиметра в персонализированную трехмерную модель, облучение и сканирование части трехмерной модели, содержащей дозиметр, на медицинском томографе. В данном способе предлагается использовать химический дозиметр на основе полимерного геля.

Недостатком этого способа является трудоемкость и дороговизна получения изображения распределения доз в облученном фантоме.

Наиболее близким (прототип) является способ, включающий измерение поглощенной дозы бета-излучения в гетерогенном фантоме головы человека с помощью модифицированного ферро-ферри-сульфатного дозиметра (Т.В. Вахлакова, Ю.С. Мардынский, В.И. Ермаков Методические рекомендации по измерению поглощенных доз с помощью модифицированного ферро-ферри-сульфатного дозиметра с бензойной кислотой (МФФД) в практике подготовки лучевой терапии, НИИ Медицинской радиологии АМН СССР, Обнинск, 1974). Способ позволяет оценивать величину дозы в органе при аппликации источника бета-излучения Р³². Описаны две конструкции гетерогенного фантома: в случае облучения гипофиза со стороны затылочной области и височной области. Первый вариант конструкции фантома включает слой полиэтиленовой пленки, парафиновых блоков и затылочную кость черепа; второй - заполненную зернами риса черепно-мозговую полость фантома, полиэтиленовые пленки, парафин. Оценка дозы проводится на глубине 4,5 см в фантоме. В качестве детектора используют сосуд с дозиметрическим раствором.

Недостатком этого метода является использование для заполнения химическим дозиметром стандартных сосудов, подбираемых по объему близкими к объему гипофиза, но не повторяющих его анатомическую форму.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является измерение средней поглощенной дозы с помощью двух жестко соединенных сосудов, которые бы максимально соответствовали объему облучаемого органа и находящейся рядом критической структуры.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что также как и в известном способе измеряют поглощенную дозу в анатомическом объеме с помощью сосуда, заполненного жидким химическим дозиметром и помещенного в фантом.

Особенностью заявляемого способа является то, что используют два жестко соединенных сосуда, совпадающих по форме и размерам с двумя облучаемыми анатомическими объемами, причем сосуды изготавливают методом 3D печати и помещают в цилиндрический водный фантом. Сосуды повторяют объем облучаемого органа и критической структуры, находящейся рядом с облучаемой областью, причем пробка для сосуда содержит асимметричную полость для точной установки сосуда внутри водного фантома. Для определения средней в анатомическом объеме поглощенной дозы протонного излучения используют калибровочную зависимость, полученную для идентичных условий облучения жидкого химического дозиметра.

Изобретение поясняется подробным описанием, клиническим примером и иллюстрациями, на которых изображено:

Фиг. 1 - приведены изображения распределений доз в трех сечениях, полученных из системы планирования для рассчитанного плана облучения пациента (а), и плана, рассчитанного на водный фантом после переноса контуров (б) согласно этапу 5:

1 - коронарное сечение томограммы;

2 - сагиттальное сечение;

3 - фронтальное сечение.

Фиг. 2 - представлена последовательность изготовления сосуда для заполнения жидким химическим дозиметром: а) построение компьютерной модели; б) обработка поверхности и подготовка модели для печати на трехмерном принтере, в) готовые сосуды для заполнения жидким химическим дозиметром.

Раскрытие изобретения.

Способ осуществляют следующим образом.

1 этап.

Медицинские КТ-изображения пациента открывают в программе для просмотра и копируют контуры необходимых объемов (PTV и критический орган) для построения поверхностей анатомических объемов. С помощью программного обеспечения построенные поверхности корректируют (сглаживают поверхности при наличии артефактов и неровностей на исходном изображении, добавляют внешние стенки сосудов, соединительные детали и отверстия для заполнения жидким химическим дозиметром) и передают в соответствующем формате в устройства трехмерной печати. Отдельно изготовляют пробки для сосудов, внутри которых предусмотрена асимметричная воздушная полость.

2 этап.

Готовые сосуды обрабатывают хлористым метиленом с растворенным в нем PET-G пластиком для придания герметичности сосудам. После этого сосуды и пробки промывают раствором хромовой смеси для обеспечения химической чистоты внутренней поверхности сосудов и тщательно промывают дистиллированной водой.

3 этап.

Изготовленные два жестко соединенных сосуда заполняют дистиллированной водой, плотно закрывают пробками и делают метку на каждом сосуде и соответствующей ему пробке так, чтобы после повторного открытия-закрытия сосуда ориентация асимметричной полости в пробке относительно формы сосуда была сохранена. Два жестко соединенных сосуда устанавливают в водный фантом таким образом, чтобы положение сосудов относительно центра фантома и стенок соответствовало положению опухоли и критической структуры на томографическом изображении пациента. С помощью рентгеновского томографа получают трехмерное изображение фантома с заполненными водой сосудами.

4 этап.

Полученное изображение фантома с заполненными водой сосудами совмещают с медицинским изображением пациента и копируют контуры объемов из медицинского изображения на изображение фантома, при этом совмещают контур каждого объема (PTV и критический орган) с контуром соответствующего этому объему сосуда, видимого на томографическом изображении фантома. Сохраняют файл для возможности расчета плана облучения.

5 этап.

План облучения рассчитывают по томографическому изображению водного фантома с двумя жестко соединенными сосудами, содержащему контуры из медицинского изображения пациента. При этом углы облучения в рассчитываемом плане должны быть идентичны углам облучения пациента согласно проверяемому терапевтическому плану.

6 этап.

Изготовленный сосуды заполняют жидким химическим дозиметром. После этого два жестко соединенных сосуда с дозиметром устанавливают внутри водного фантома в положение, для которого были получены томографические изображения, описанные в этапе 3. Коррекцию положения сосудов выполняют по ориентации полости внутри пробки каждого сосуда под контролем рентгеновского томографа. Проводят облучение сосудов в водном фантоме согласно рассчитанному по 5 этапу плану облучения. После окончания облучения сосуды вынимают из фантома, переносят жидкий дозиметр из сосудов в химически инертную емкость и проводят измерения оптической плотности.

7 этап.

Среднюю по объему поглощенную дозу протонного излучения рассчитывают по полученному значению оптической плотности с помощью калибровочной зависимости для данного вида излучения и условий облучения.

Осуществление изобретения.

Пример 1. Для проверки был выбран план пациента, проходящего курс протонной лучевой терапии с диагнозом менингиома кавернозного синуса. Осуществляли проверку средней поглощенной дозы за одну фракцию (5 Гр). Изображения распределений доз терапевтического плана и плана, пересчитанного на водный фантом, приведены на Фиг. 1. В качестве дозиметрической системы использовали модифицированный ферросульфатный дозиметр FBX, который имеет линейную зависимость отклика от поглощенной дозы протонов в дозовом диапазоне от 0 до 6 Гр. После облучения раствор переносили в стеклянные пробирки и проводили измерения относительной оптической плотности спектрофотометрическим методом спустя час после облучения. В результате измерения средние поглощенные дозы, определенные с помощью жидкого химического дозиметра FBX, составили 5,0±0,19 Гр для PTV и 0,1±0,03 Гр для критического органа.

Изобретение может быть использовано для быстрой верификации терапевтических планов облучения в протонной терапии, а также в дозиметрии при использовании сканирующего пучка протонов. Предложенный способ обладает высокой точностью и низкой стоимостью материалов для печати и реагентов для химического дозиметра, что способствует широкому применению в практике для проведения дозиметрических измерений.

1. Способ определения поглощенной дозы протонного излучения, включающий выполнение посредством 3D-печати сосудов, повторяющих объемы облучаемого анатомического органа и критической структуры, находящейся рядом с объемом облучаемого анатомического органа, заполнение их жидким химическим дозиметром, установку в цилиндрический водный фантом, проведение облучения по предварительно рассчитанному плану облучения и расчет средней по объему поглощенной дозы протонного излучения, отличающийся тем, что сосуды, повторяющие форму и размеры облучаемого анатомического органа и критической структуры, изготавливают жестко соединенными, предварительно заполняют дистиллированной водой, снабжают сосуды и их пробки метками и устанавливают в водном фантоме таким образом, чтобы положение сосудов относительно центра фантома и стенок соответствовало положению облучаемого анатомического органа и критической структуры на томографическом изображении пациента, рассчитывают предварительный план облучения по полученному томографическому изображению, проводят в соответствии с ним облучение жестко соединенных сосудов, заполненных жидким химическим дозиметром и установленных в фантоме, посредством меток, в том же положении, и определяют среднюю в объеме облучаемого анатомического органа поглощенную дозу протонного излучения посредством калибровочной зависимости, полученной для данных условий облучения жидкого химического дозиметра.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что метка на пробке выполнена в виде полости для точной установки сосуда внутри водного фантома.